計及閉鎖振蕩的地鐵牽引網(wǎng)饋線保護方法

劉勝祥

摘 要：地鐵牽引網(wǎng)是直流牽引供電系統(tǒng)的最薄弱環(huán)節(jié)，加強牽引網(wǎng)運行保護視為改善地鐵運輸安全。目前，直流牽引網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)未知產(chǎn)生機理的振蕩電流，雖然不是故障電流但其頻繁造成饋線主保護誤動，并已嚴重影響到行車安全。因此，有必要在詳細分析該振蕩電流本質特征的基礎上，研究出一種能高時效躲避振蕩電流的新型牽引網(wǎng)饋線保護方法。

關鍵詞：地鐵牽引網(wǎng);饋線保護;DDL;振蕩閉鎖

1 緒論

1.1 背景及意義

城市交通是城市經(jīng)濟與社會發(fā)展的生命線，世界各大城市歷來高度關注所轄區(qū)內的公共交通問題。地鐵的“公交化”運行方式和傳統(tǒng)習慣導致地鐵牽引網(wǎng)具有如下運行特點：1）牽引負荷是典型的間歇式負荷（負荷的有功功率變動量ΔP與有功功率P相等）;2）較高的故障率;3）較大的負荷電流，且負荷電流與牽引網(wǎng)末端的短路電流幾乎相等[1]。牽引網(wǎng)永久性短路的威脅性極大且無備份，這對牽引網(wǎng)饋線保護提出極高的要求，因而通過理論研究及技術分析來完善地鐵牽引網(wǎng)主保護，對保障地鐵的運行安全至關重要。

1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

為保障地鐵運輸安全，通常為地鐵牽引網(wǎng)配置了多種保護措施，其中大電流脫扣保護和DDL保護（di/dt-Δi組合保護）都是主保護，分別用于牽引網(wǎng)近端保護和中遠端保護。DDL保護是所有保護的核心，其理論基礎為：牽引網(wǎng)短路瞬間，短路電流表現(xiàn)為一階RL電路的零狀態(tài)響應。這說明牽引網(wǎng)短路電流在幅值特征上可能接近于常見負荷電流，但其上升率遠大于常見負荷電流，因此DDL保護在躲開常見負荷電流上非常有效。

2 地鐵牽引供電系統(tǒng)及其饋線保護

2.1 地鐵牽引供電系統(tǒng)

地鐵牽引供電系統(tǒng)臨近生活區(qū)和辦公區(qū)，為保障居民和乘客的人身安全，地鐵和輕軌在最初選擇了低壓直流供電制式。直流牽引變電所和城市電網(wǎng)之間，一般需要再設置主降壓變電站（Main Step-down Substation），其功能是將城市電網(wǎng)所提供的高壓交流電降低到適合直流牽引變電所需要的電壓。

2.2 牽引網(wǎng)饋線保護的基本任務與要求

（1）基本任務。牽引網(wǎng)饋線保護的基本任務是：能夠快速準確識別牽引網(wǎng)故障，向臨近故障點的牽引變電所發(fā)出告知信號，且有選擇性的將故障線路從地鐵牽引供電系統(tǒng)中切除，以確保非故障線路區(qū)段能正常供電。

（2）基本要求。地鐵牽引網(wǎng)是特殊的配電線路，其饋線保護的基本要求需滿足“3S+1R”要求：選擇性（Selectivity）、速動性（Speed）、靈敏性（Sensitivity）和可靠性（Reliability），工程上稱為繼電保護“四性”。

2.3 現(xiàn)行的地鐵牽引網(wǎng)饋線保護

（1）大電流脫扣保護。大電流脫扣保護是直流快速斷路器（毫秒級動作時間）自帶的本體保護，其功能是采用電磁脫扣的原理切斷牽引網(wǎng)近端的大短路故障電流。大電流脫扣保護的理論基礎是供電區(qū)段發(fā)生近端短路時，其電流很大。由于牽引網(wǎng)近端短路故障時，如接觸軌對走行軌的直接金屬短路，其產(chǎn)生的大電流會對直流牽引供電系統(tǒng)造成巨大損害，因此，要求大電流脫扣保護必須在短路電流達到穩(wěn)態(tài)值前盡早切除故障[2]。

（2）DDL保護。地鐵牽引網(wǎng)饋線DDL保護，工程稱為電流變化率di/dt和電流增量組合保護，是一種反映電流變化趨勢的暫態(tài)保護。DDL保護被視為地鐵牽引網(wǎng)的核心保護，其中di/dt保護和保護的作用分別是消除線路中遠端和中近端短路故障。DDL保護的理論依據(jù)是：1）牽引網(wǎng)短路暫態(tài)模型是一階RL串聯(lián)電路的零狀態(tài)響應;2）牽引網(wǎng)短路電流的di/dt至少高于負荷電流1～2個數(shù)量級。當保護啟動后，二者分別進入自己的延時階段（即相互獨立），哪個保護先達到預定的動作條件就由它來動作。

（3）過流保護。過流保護是一種根據(jù)電流大小變化而產(chǎn)生的保護方式。通過預先設定電流Imax和時間T值，然后將檢測得出的結果進行比較分析，如果該數(shù)值在固定的時間內超過Imax時，過流保護裝置則開始運行，否則該保護裝置不動作。

該保護是主保護的后備保護，主要功能是切除遠端短路故障，保護啟動需設定正方向的數(shù)值與負方向的數(shù)值兩種情況。

（4）雙邊聯(lián)跳保護。雙邊聯(lián)跳保護是指兩個向同一段接觸網(wǎng)供電的相鄰變電所的保護裝置之間的在發(fā)生短路故障時的相互跳閘保護。先檢測到故障的保護裝置跳閘的同時向同為該區(qū)段供電的相鄰變電所的保護裝置發(fā)出聯(lián)跳信號，使其跳閘。利用這個裝置可以將電流安全地運輸至接觸網(wǎng)，增強主保護的可靠性和靈敏性。

2.4 饋線保護的可靠性

隨著牽引負荷不斷提升，車輛啟動電流（最大負荷電流）和牽引網(wǎng)遠端短路電流的特征差異逐漸減小。但是，錄波數(shù)據(jù)表明牽引網(wǎng)短路電流的變化率是啟動電流的數(shù)百倍，因而現(xiàn)行的DDL保護能夠可靠區(qū)分牽引網(wǎng)短路電流和常見負荷電流。隨著牽引功率的增大、行車組織多樣化以及車輛多種電氣控制技術的應用，地鐵牽引網(wǎng)中時常出現(xiàn)短時發(fā)散型振蕩電流。

3 牽引網(wǎng)電流波形及新型保護算法

3.1 地鐵牽引網(wǎng)饋線電流及其特征分析

3.1.1 系統(tǒng)正常運行時饋線電流波形

牽引供電系統(tǒng)正常運行時饋線電流具有如下特點：

（1）饋線電流值有正有負，電流為正時車輛處于牽引狀態(tài)，而電流為負時車輛處于再生制動狀態(tài)。

（2）負荷電流波動較大，但其電流變化率比短路電流高1～2個數(shù)量級。

3.1.2 系統(tǒng)振蕩時饋線電流波形

牽引供電系統(tǒng)振蕩時的饋線電流波形具有如下特點：

（1）振蕩起始點始終在電流的負值處，這與機車的能量回饋有關。

（2）振蕩初期，饋電電流波形與短路電流波形相近。

（3）振蕩電流是連續(xù)變化的，沒有明顯的瞬時突變點。

（4）振蕩初期電流幅值變化較小，隨后會迅速發(fā)展成幅值較大且發(fā)散的振蕩電流。

3.1.3 牽引網(wǎng)短路時饋線電流波形

地鐵牽引網(wǎng)短路時饋線電流具有如下特點：

（1）地鐵牽引網(wǎng)短路后瞬間，電流值迅速上升，并快速達到穩(wěn)定值。

（2）地鐵牽引網(wǎng)短路前，電流處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。

（3）短路電流存在明顯突變點，表明短路電流存在豐富的諧波分量。

3.2 高階統(tǒng)計量算法基礎

系統(tǒng)振蕩和牽引網(wǎng)短路最大的區(qū)別在于供電回路中是否包含軌道車輛。牽引網(wǎng)短路等同于軌道車輛退出供電回路，而系統(tǒng)振蕩等同于供電系統(tǒng)和軌道車輛共同諧振，顯然牽引網(wǎng)短路具有更大的電流幅值增量和電流變化率。高階統(tǒng)計量中偏度和峰度參數(shù)是刻畫樣本點變化和分布規(guī)律的重要工具，將其引入到暫態(tài)保護算法中，必將改善暫態(tài)保護算法對不同波形的識別能力。

3.3 相關短路參數(shù)的計算

受設備安全和實驗條件所限，現(xiàn)場短路實驗時很難得到穩(wěn)態(tài)短路電流值，尤其是大短路電流。直流快速開關標稱出的極限分斷能力，不是最大電流的分斷能力，而是接近穩(wěn)態(tài)時的短路電流分斷能力。直流低壓大電流的供電制式，不僅決定DDL能快速診斷出線路故障，而且饋線開關柜必須采用毫秒級的直流快速開關，因而現(xiàn)場只能抓拍到短路電流的局部示波圖。

4 結論

本文中結合了目前地鐵饋線保護所應用的保護系統(tǒng)和相關保護設計，針對地鐵饋線的故障情況做出了地鐵饋線保護設計?？偨Y全文，具體結論如下：

（1）對現(xiàn)有的地鐵牽引網(wǎng)饋線保護方法進行分析和比對，分析了系統(tǒng)振蕩電流使得牽引網(wǎng)饋線保護系統(tǒng)頻繁誤動的原因。

（2）分析了地鐵牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)在系統(tǒng)不同工況下的狀態(tài)電流，即振蕩電流和故障電流的不同特征，并進一步提取電流波形特征。基于此，提出一種組合DDL算法與高階統(tǒng)計量算法的算法。

（3）完成了對地鐵牽引網(wǎng)饋線保護的設計。該保護算法經(jīng)過地鐵牽引網(wǎng)實測數(shù)據(jù)檢驗，能夠快速、準確、可靠的識別牽引網(wǎng)故障;而且在工程應用方面，其原理明確、算法簡便，具有很強的實用性。

參考文獻：

[1]李夏青，左麗.直流牽引網(wǎng)故障電流能量譜及特征矢量[J].電工技術學報，2010，25（11）：164-168.

[2]李高翎，田行軍，宋金川.計及振蕩過程的地鐵牽引網(wǎng)保護方法[J].電氣化鐵道，2016（3）：34-38.